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ETUDE DE L'ENDOMAGEMENT D'UN

COMPOSITE VIA EMISSION ACOUSTIQUEProjet de Physique P6

STPI/P6/2016 - 19

Enseignant-responsable du projet :

David BOUSCARRATEtudiants :

Tiffen LEGEARDAgathe MENARD

Florian PERONFrançois PROTAIS

Margot VENNIN

2 3

Date de remise du rapport : 13/06/2016

Référence du projet : STPI/P6/2016 - 19

Intitulé du projet : Étude de l'endommagement d'un composite via émission acoustique

Type de projet : Expérimental

Objectifs du projet :

L'objectif principal de ce projet est de voir comment l'émission acoustique permet d'observer la chronologie et la cinétique de l'endommagement. On pourra ainsi étudier et caractériser la rupture des fibres dans un composite.On analysera donc les endommagements d'un matériau composite durant un essai de traction jusqu'à rupture, par l'étude des signaux d'émission acoustique.

Mots-clefs du projet :

•Composite •Émission acoustique •Rupture INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE ROUEN Département Sciences et Techniques Pour l'Ingénieur

avenue de l'Université - 76801 Saint Etienne du Rouvray - tél : +33 (0)2 32 95 97 00 - fax : +33 (0)2 32 95 98 60

4

TABLE DES MATIÈRES

1. Introduction.........................................................................................................................5

2. Méthodologie / Organisation du travail................................................................................5

3. Travail réalisé et résultats...................................................................................................7

3.1. Recherche informations.................................................................................................7

3.1.1. Matériaux composites............................................................................................7

3.1.2. Résistance des matériaux......................................................................................9

3.1.3. Émission acoustique............................................................................................10

3.2. Essais de vitesse.........................................................................................................14

3.3. Essais jusqu'à rupture.................................................................................................16

3.3.1. Composite avec fibre orientées 45/45..................................................................16

3.3.2. Composite avec fibres orientées 0/90..................................................................20

3.3.3. Interprétations......................................................................................................23

4. Conclusions .....................................................................................................................23

5. Perspectives.....................................................................................................................25

6. Sources.............................................................................................................................26

7. Annexes............................................................................................................................27

7.1. Tables de illustration....................................................................................................27

7.2. Photos des éprouvettes...............................................................................................28

STPI/P6/2016-19

1.INTRODUCTION

Les matériaux composites sont très utilisés de nos jours puisqu'ils allient plusieurs

propriétés très recherchées telles que la légèreté, la flexibilité ou encore la rigidité. Il est

important de bien connaître leurs propriétés pour choisir celui qui répondra le mieux aux

contraintes imposées. En effet, une des particularités de ces matériaux est qu'ils sont

souvent fabriqués pour une demande spécifique, et donc des contraintes particulières. Le

type de fibre, leur tissage et leur orientation vont définir en grande partie leur résistance aux

différents efforts (traction, compression, flexion...). Pour notre projet, nous nous sommes concentrés sur l'étude des endommagements

sous un effort de traction. Pour cette étude nous avons utilisé la méthode d'analyse via

l'émission acoustique. Cette méthode permet d'obtenir la localisation des différents

endommagements et de connaître également leurs types tout le long de l'essai. Nous avons donc réalisé 3 essais sur la machine, un premier pour se familiariser avec le fonctionnement de la machine et le type de résultats obtenus et ensuite deux essais jusqu'à rupture avec deux composites différents afin de pourvoir analyser leurs endommagements et les comparer. L'analyse des résultats a été faite grâce au logiciel Noesis. Dans notre rapport, nous allons vous présenter les recherches documentaires que nous avons faites et les résultats des différents essais réalisés.

2.MÉTHODOLOGIE / ORGANISATION DU TRAVAIL

Pour commencer notre projet nous avons effectué des recherches documentaires

pour mieux connaître les notions liés à cette étude. Tiffen et Margot ont travaillé sur les

matériaux composites, Florian et Agathe sur la notion de résistance des matériaux et

Francois sur l'émission acoustique. Nous avons tous participé aux différents essais de

vitesse avec la machine et fait l'exploitation des résultats. Pour les essais de traction jusqu'à

rupture, nous avons tous assisté au premier essai et Mr Bouscarrat a manipulé.

L'exploitation des résultats sur Noésis a été faite par Florian et Francois. L'interprétation des

différentes courbes obtenues a été réalisé par Tiffen, Agathe, Florian et Francois. Margot

s'est occupé de l'étude mécanique des essais. Et nous avons tous pris part à la rédaction du

rapport.

STPI/P6/2016-195

Séance n°1 Recherches documentaires, introduction à l'émission acoustique et à la résistance des matériaux Séance n°2Recherches documentaires supplémentaires et élaboration d'un protocole à effectuer pour réaliser notre projet Séance n°3Recherches documentaires supplémentaires. Rédaction de la première partie de notre rapport Séance n°4Premiers essais avec l'émission acoustique :

Essai de vitesse (cassage de mine)

Séance n°5Répétition des essais de vitesses (cassage de mine) pour différentes éprouvettes (fibres 90,45,vertical-horizontal) Séance n°6Calcul de la vitesse moyenne de propagation des ondes entre les deux capteurs lors du test avec la mine. Exploitation des résultats.

Séance n°7Exploitation des résultats

Séance n°8Essai de traction pour une éprouvette composite (fibres 45-45) Séance n°9Exploitation des résultats sur le logiciel Noesis (Machine de traction en panne) Séance n°10Exploitation des résultats sur le logiciel (Machine de traction en panne)

Séance n°11Rédaction du rapport

(Machine de traction en panne) Séance n°12Deuxième essai de traction réalisé par le professeur encadrant Exploitation des résultats à l'aide du logiciel (éprouvette fibres 0- 90)
Séance n°13Finalisation du rapport, préparation du powerpoint et de la soutenance

STPI/P6/2016-196

3.TRAVAIL RÉALISÉ ET RÉSULTATS

3.1.Recherche informations

3.1.1.Matériaux composites

.Qu'est ce que c'est ? Un composite est un matériau formé de plusieurs composants élémentaires, dont au

moins 2 non miscibles. L'association confère à l'ensemble des propriétés qu'aucun des

composants pris séparément ne possède (leurs propriétés se complètent). Ce phénomène

permet d'améliorer la qualité de la matière face à une certaine utilisation (légèreté, rigidité à

un effort, etc.). Un matériau composite se compose de : une matrice, d'un renfort et optionnellement une charge et/ou additif. La matrice (= résine) est un composé macromoléculaire naturel ou synthétique, utilisé dans les industries des matières plastiques, des peintures, des adhésifs, etc. Elle a pour principal but de transmettre les efforts mécaniques au renfort. Elle assure aussi la protection du renfort vis-à-vis des diverses conditions environnementales. Elle permet de donner la

forme voulue au produit réalisé. Par exemple, il y a les CMO (composites à matrice

organique) soit thermodurcissable ( résine époxyde...), soit thermoplastique ( polypropylène,

le polyamide, le polyétherimide...) Le renfort est l'armature reprenant l'essentiel des efforts mécaniques. Les fibres sont

utilisées comme renforts, elles apportent les caractéristiques mécaniques de la pièce, par

exemple, les fibre de verre (95 % des composites), de carbone, d'aramide ou fibres

naturelles. Plus les fibres sont orientées, plus les propriétés mécaniques sont optimisées.

Les fibres possèdent généralement une bonne résistance à la traction mais une résistance

faible à la compression.

Quelques exemples de composite :

- le béton armé = composite béton + armature en acier - le composite fibre de verre + résine polyester. Nous allons travailler pour cet essai avec des composites à fibres carbone et matrices polymères. .Applications Les composites sont présents partout et se substituent au bois et aux métaux dans de nombreux domaines. En effet, on les utilise pour leur légèreté (par exemple dans le sport : cyclisme, nautisme...), leur bon comportement face à l'humidité et la corrosion, leur

grande rigidité ou flexibilité etc... Ils offrent de nombreux avantages divers et variés pour des

applications bien différentes. Principales applications : dans les transports (automobile, aéronautique, ferroviaire, naval militaire et de plaisance), le bâtiment, la mécanique,

l'électrotechnique, les sports et loisirs, le matériel paramédical... On les utilise également par

exemple comme isolants électriques.

STPI/P6/2016-197

.Endommagement d'un composites La direction et le mode d'endommagement dépendent de l'orientation et de la

proportion des renforts et du types de composites (uni ou multidirectionnels, à matrice

organique ou autre).

Fissure matricielle

La fissure matricielle est un mode d'endommagement. Des fissures dites transverses ou intralaminaires apparaissent dans la matrice et se propage dans le matrice mais suivant le type de matériau elles ne conduisent pas directement à la rupture dans les composites multidirectionnels. Ces fissures sont qualifiées de transverse puisqu'elles apparaissent dans

les plis d'orientation transversale à celle de sollicitation et parallèlement aux fibres de ce plis.

De plus, elles sont traversantes dans le sens de l'épaisseur du plis.

Rupture de fibre

La rupture de fibre est un autre mode d'endommagement. Les ruptures de fibres

n'interviennent en général qu'en fin de vie du stratifié composite juste avant la rupture

macroscopique. Il s'agit là du mode d'endommagement le plus dangereux pour la structure.

La résistance de la fibre étant très élevée, sa rupture est donc le résultat d'une forte

sollicitation dans l'axe de la fibre. La première étape correspond à l'initiation de

l'endommagement par ruptures isolées des fibres les plus faibles. Cela se traduit en

général par l'apparition d'émissions acoustiques. La seconde étape est caractérisée par

l'accumulation de ruptures aléatoires dans le composite à laquelle s'ajoute la croissance de l'endommagement autour des ruptures isolées, par rupture des premières fibres voisines

sous l'effet du report de charge. Avec l'augmentation de la contrainte, la probabilité de

rompre de nouvelles fibres est en effet de plus en plus importante. Cela se traduit en

termes d'émission acoustique par une évolution exponentielle de l'accumulation des

événements. La dernière étape est associée à la rupture finale par instabilité du processus.

L'accumulation et la croissances des ruptures de fibres, préférentiellement autour des fibres déjà rompues entraînent la rupture du composite.

Délaminage

Les composites sont confrontés aux ruptures inter-laminaires (décollement entre les

plis de celui ci). La matrice et l'interface fibre/matrice sont les premières à se détériorer. Les

premiers défauts sont donc la microfissuration de la matrice et la décohésion fibre/matrice à

l'échelle microscopique. Puis ces micros défauts se rejoignent et forment des fissures

visibles à l'oeil nu. La rupture est donc de type "fragile", c'est-à-dire que le point de rupture se

trouve dans la partie linéaire de la courbe effort-déplacement. Cette baisse progressive de la

raideur est suivie de la rupture totale de la structure. Le phénomène de délaminage

(fissuration à l'interface entre plis d'orientations différentes) est un des modes d'endommagement prédominants dans les matériaux composite.

STPI/P6/2016-198

3.1.2.Résistance des matériaux

La résistance des matériaux (RDM) est une discipline de la mécanique des milieux continus. Elle se concentre sur l'étude du comportement d'un solide déformable soumis à des efforts. Ces solides sont appelés poutres et respectent certains critères.

Définition d'une poutre :

- 1 longueur grande devant les 2 autres : structure élancée - ligne moyenne droite ou à fort rayon de courbure - section droite S constante ou variant progressivement - hypothèses sur le matériaux : continuité, homogénéité, isotropie Grâce à ces simplifications, on peut faire des calculs simples et rapides. Les hypothèses de la RDM permettent le calcul des contraintes et des déformations dans les

structures de différents matériaux. Les contraintes et déformation permettent ensuite de

mesurer la résistance et la rigidité des matériaux.

Notion de contrainte :

Lorsque des forces extérieures sont appliquées sur des éléments, celles-ci

engendrent des efforts internes qui sont la résultante des efforts élémentaires agissant sur

chaque section de l'élément sollicité par les forces extérieures. On appelle ces efforts

élémentaires, contraintes.

Notion de déformation :

Lorsqu'un matériau est soumis à une contrainte, il va commencer à se déformer. Il y a

d'abord une déformation élastique, le matériau va se déformer proportionnellement à la

contrainte puis va reprendre sa forme initiale lorsque les contraintes disparaissent. Si la

sollicitation est plus importante, il va y avoir une déformation plastique : la déformation subie

par le matériau sera irréversible. Enfin, si la contrainte est trop importante, il y aura une rupture du matériau car la sollicitation a dépassé la résistance du matériau. Les domaines élastique et plastique sont propres à chaque matériau, ainsi que son moment de rupture. C'est ce qui caractérise la résistance du matériau. Malheureusement, les composites sont des matériaux hétérogènes et fortement

anisotropes, donc les simplifications de la RDM sont inadaptées. La résistance de ces

matériaux et donc difficile à mesurer par le calcul, et il est donc plus intéressant de faire de

mesures expérimentales.

Essai de traction :

Un essai de traction est une expérience de physique qui permet de déterminer le

comportement élastique d'un matériau, de mesurer le degré de résistance à la rupture d'un

matériau. Certains objets manufacturés doivent avoir un minimum de solidité pour pouvoir supporter les charges, le poids et bien d'autres efforts. L'essai de traction permet de

caractériser les matériaux, indépendamment de la forme de l'objet sollicité, ou la

performance d'un assemblage mécanique. Comme tout essai mécanique, l'essai de traction

reproduit une sollicitation simple, donc éloignée des sollicitations réelles, mais facilement

maîtrisable et reproductible. Cet essai ou expérience consiste à placer une petite barre du matériau à étudier entre les mâchoires d'une machine de traction qui tire sur la barre jusqu'à sa rupture. On enregistre l'allongement et la force appliquée, que l'on convertit ensuite en déformation et contrainte.

STPI/P6/2016-199

3.1.3.Émission acoustique

L'émission acoustique (Acoustic Emission Testing en anglais) est une méthode d'essai non destructive, globale et rapide. Elle est bien adaptée aux applications de

vérification de l'intégrité des grandes structures en minimisant fortement les temps

d'intervention et les arrêts coûteux. C'est une méthode passive qui permet de suivre la

progression de l'endommagement en temps réel d'un composant en fonctionnement. Plusieurs codes et normes encadrent cette méthode. .Principe L'émission acoustique est un phénomène de libération d'énergie sous forme d'ondes

élastiques transitoires résultant des micro-déplacements locaux internes à un matériau

(fissures, inclusions, corrosion, délaminage, etc.). Ce phénomène se manifeste au sein de

nombreux matériaux, quand ils sont soumis à des sollicitations d'origines mécaniques,

thermiques ou chimiques. L'application d'une charge et/ou la présence d'un environnement agressif produit des modifications internes telles que l'évolution de fissure, des déformations plastiques locales, de la corrosion et, dans certains cas, des transformations de phase qui génèrent l'émission acoustique. Cela donne, de ce fait, certaines informations sur le comportement interne des

matériaux considérés. Les ondes se propagent dans la structure puis sont détectées au

moyen de capteurs spécifiques qui permettent la conversion des mouvements de surface du

matériau en signaux électriques. Ces signaux sont traités par des instrumentations adaptées

en vue d'indiquer et de localiser les sources d'émission acoustique. .Mode d'examen La mesure de l'émission acoustique générée par une structure soumise à sollicitation peut être décrite en deux phases :

· Détection de l'onde acoustique :

La détection est assurée généralement par des capteurs piézo-électriques permettant

la conversion de l'onde acoustique en un signal électrique. Le signal d'émission acoustique

est ensuite conditionné par un préamplificateur qui assure l'adaptation de l'impédance

électrique, l'amplification et le filtrage. Le signal d'émission acoustique est ensuite transmis

au système de mesure qui permet la numérisation, l'enregistrement des formes d'ondes en

temps réel et/ou l'extraction d'un certain nombre de paramètres relatifs aux signaux.

L'émission acoustique peut être continue ou discrète. Le signal d'émission acoustique

discrète appelé salve a l'allure générale d'une sinusoïde amortie. · Analyse des données d'émission acoustique en temps réel et différé : Une fois les données d'émission acoustique stockées, des traitements adéquats sont

appliqués afin d'évaluer les résultats des mesures. Ces traitements portent sur les

paramètres des salves (analyses historique et statistique), mais permettent aussi de grouper

les salves détectées par les différentes voies de mesure pour localiser les sources

d'émission acoustique.

STPI/P6/2016-1910

.Domaines applications Les champs d'applications de l'émission acoustique sont multiples :

- Contrôle de l'intégrité des équipements sous pression. L'émission acoustique est une

alternative à l'épreuve hydraulique pour la re-qualification des équipements sous pression. - Contrôle des structures industrielles telles que les réacteurs nucléaires - Contrôle en ligne des procédés de fabrication des matériaux - Surveillance des installations en fonctionnement - Détection des fuites - Détection de la corrosion - Recherche et développement - Applicable sur de nombreux matériaux (aciers, composites, céramiques, etc.) .Intérêts de la méthode L'émission acoustique présente de nombreux avantages parmi lesquels : - Le contrôle global de la structure (volumique), - La détection et localisation des défauts évolutifs, - Le contrôle dynamique en temps réel dans les conditions de service ou de sollicitation, - Le diagnostic de la sévérité de l'endommagement, - Le suivi dans le temps, - La prévention des risques industriels, - Le contrôle des structures en service, - La minimisation du temps d'intervention et d'immobilisation des installations. .Acquisition des signaux La transformation des ondes mécaniques en surface d'un matériau, en signaux

d'émission acoustique, est réalisée par l'utilisation de capteurs généralement de nature

piézoélectrique. Ceux-ci sont placés en surface du matériau, le couplage avec celle-ci étant

assuré le plus souvent par l'utilisation d'un gel silicone. Le rôle du couplant est d'améliorer la

transmission des ondes entre la surface de l'échantillon et le capteur. Le signal détecté est

ensuite amplifié, échantillonné puis stocké pour traitement ultérieur. Deux grandes familles de capteurs sont utilisées en émission acoustique. Les premiers, dits " large bande », possèdent une bande passante régulière dans une zone étendue de fréquences allant jusqu'au MHz. Ils présentent l'avantage de modifier peu la

forme réelle du signal, mais possèdent en revanche une faible sensibilité. Les seconds, dits

" résonnants », ont une bande passante moins large et présentent un pic de réponse aux

alentours d'une certaine fréquence. Cette caractéristique entraîne une modification de l'allure

des signaux ainsi que de leur contenu fréquentiel ; cependant les capteurs de ce type sont beaucoup plus sensibles et permettent la détection de signaux de plus faible amplitude.

STPI/P6/2016-1911

Illustration 1: Chaine d'acquisition de l'EA

Illustration 2: Schéma de la transmission des résultats

STPI/P6/2016-1912

.Les paramètres exploitables

On s'intéresse ici aux signaux de type discret. On se place dans l'hypothèse où

chaque salve correspond à un événement physique dans le matériau et où la forme de la

salve est directement liée aux caractéristiques de cet événement. Alors il est important de

relever tous les paramètres pouvant permettre de caractériser un type de signal dans le but

de remonter jusqu'à l'identification des différents mécanismes mis en jeu. La plupart de ces

paramètres sont définis par rapport à un seuil d'acquisition. Il existe plusieurs méthodes pour

fixer ce seuil, la plus courante consiste à le régler à une valeur légèrement supérieure au

bruit de fond. Les paramètres classiques enregistrés en temps réel sont les suivants : •l'amplitude crête exprimée en décibels ; •la durée exprimée généralement en microsecondes. Elle correspond au temps qui sépare le premier et le dernier dépassement de seuil ; •le nombre de coups ou le nombre d'alternances correspond au nombre de franchissements de seuil par le signal sur toute sa durée ; •le nombre de coups au pic correspond au nombre de franchissements de seuil par le signal entre le premier dépassement de seuil et l'amplitude maximale ; •le temps de montée exprimé en microsecondes. Il correspond au temps qui sépare le premier dépassement de seuil et l'amplitude crête du signal ; •la fréquence moyenne : cette valeur donnée par la plupart des systèmes d'acquisition ne correspond pas à la transformée de Fourier du signal mais au nombre de coups d'une salve divisé par sa durée ; •l'énergie du signal. Illustration 3: Principaux paramètres mesurés en temps réel sur une slave d'émission acoustique

STPI/P6/2016-1913

3.2.Essais de vitesse

Nous avons réalisé plusieurs essais pour se familiariser avec la machine et les

résultats donnés par les capteurs. Pour cela, on a fait des essais sur quatre différentes

éprouvettes de matériaux composites différents. Pour cela, nous avons placé les deux

capteurs sur les extrémités de l'éprouvette. Nous avons ensuite cassé une mine de critérium

afin de simuler une perturbation dans le composite. Nous avons réalisé des mesures (position des capteurs par rapport au point d'impact) pour calculer la vitesse de déplacement

des ondes dans le composite. Le temps nous était donné par le logiciel affichant les données

reçues par les capteurs. On peut y voir en particulier l'amplitude du signal reçu par chaque capteur (elle présente un pic lors de la déformation).

Illustration 4: Données brutes de l'essai

Dans ces données, nous allons nous intéresser à la différence entre les deux temps ou les capteurs ont reçu la perturbation. Pour repérer ce temps on utilise l'amplitude des signaux captés pour éviter de prendre en compte des signaux parasites. La différence de distance entre les deux capteurs avec la source de la perturbation c'est à dire l'endroit ou nous avons cassé la mine sur l'éprouvette. STPI/P6/2016-1914T capteur 1T capteur 2AmplitudeDeltaT en sVitesse m/s

Moyenne0,000006125102,9668585

On calcule donc la vitesse de la propagation de l'onde de choc, en m/s grâce à la

différence de temps entre l'arrivée de l'onde au premier capteur et son arrivée au 2ème pour

chaque mine cassée. Le tableau ce dessus représente les données récoltées pour le

premier composite testé. Donc, pour le composite avec des fibres orientées 0/90°, l'onde de choc se déplace à 5100 m/s environ. Nous avons réalisé l'étude pour trois autres composites différents.

Composite 2 (petite éprouvette, fibres 45°)

Pour un composite avec des fibres orientées ± 45°, l'onde de choc se déplace à 3222 m/s environ, on peut voir que l'onde se déplace moins vite dans un composite avec des fibres à 45° qu'avec des fibres à 90° les unes par rapport aux autres. Composite 3 (grande éprouvette, fibres horizontales) La vitesse moyenne pour un composite à fibres horizontales est de 4540 m/s. On se rapproche donc de la vitesse calculée pour une petite éprouvette à fibres à 90°. STPI/P6/2016-1915T capteur 1T capteur 2AmplitudeDeltaT en sVitesse m/s

21,28268921,28271070,0000113636,3636373

80,18557980,185591080,0000113636,3636361

Moyenne0,0000094540,6555865

T capteur 1T capteur 2AmplitudeDeltaT en sVitesse m/s

Moyenne0,000009423222,0541523

Composite 4 (grande éprouvette, fibres verticales) On trouve une vitesse du même ordre que pour les fibres à 90°.

En conclusion, on peut voir que pour des fibres à 45°, la vitesse est bien moins

élevée que pour celles à 90 ou 180°. On peut en déduire que la vitesse des ondes est freinée par les fibres placées en travers du composite.

3.3.Essais jusqu'à rupture

3.3.1.Composite avec fibre orientées 45/45

L'essai de traction jusqu'à rupture consiste à placer une éprouvette dans unequotesdbs_dbs28.pdfusesText_34

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